FR3131439A1 - Image sensor - Google Patents
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Abstract
Capteur d'images La présente description concerne un capteur d'images comprenant une pluralité de pixels (100) formés dans et sur un substrat semiconducteur (101), chaque pixel comportant : – au moins une première zone photosensible (103) formée dans le substrat semiconducteur (101) et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ; – une deuxième zone photosensible (105) formée dans le substrat semiconducteur (101) à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible (103) et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ; – au moins une zone de collecte de charges (113) disposée du côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) ; – au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et – au moins une grille de transfert (TG) s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert. Figure pour l'abrégé : Fig. 2Image sensor The present description relates to an image sensor comprising a plurality of pixels (100) formed in and on a semiconductor substrate (101), each pixel comprising: – at least a first photosensitive zone (103) formed in the substrate semiconductor (101) and adapted to pick up light in a first range of wavelengths; - a second photosensitive zone (105) formed in the semiconductor substrate (101) directly above said at least one first photosensitive zone (103) and adapted to pick up light in a second range of wavelengths, different from the first wavelength range; - at least one charge collection area (113) disposed on the side (101T) of the substrate (101) opposite said at least one first photosensitive area (103); - at least one transfer region extending from said at least one first photosensitive area (103) to said at least one charge collection area (113); and - at least one transfer gate (TG) extending vertically between said at least one transfer region and the second photosensitive area and laterally bordering said at least one transfer region. Figure for abstract: Fig. 2
Description
La présente description concerne de façon générale le domaine des dispositifs d'acquisition d'images. La présente description concerne plus particulièrement des dispositifs d'acquisition d'images adaptés à acquérir une image 2D et une image de profondeur d'une scène.The present description generally concerns the field of image acquisition devices. The present description relates more particularly to image acquisition devices adapted to acquire a 2D image and a depth image of a scene.
On connaît des dispositifs d'acquisition d'images capables d'acquérir une image 2D et une image de profondeur d'une scène. On connaît notamment des dispositifs comportant des sous-pixels d'image 2D et des sous-pixels de profondeur intégrés dans un réseau de pixels d'un même capteur d'images.Image acquisition devices capable of acquiring a 2D image and a depth image of a scene are known. In particular, devices are known comprising 2D image sub-pixels and depth sub-pixels integrated into an array of pixels of the same image sensor.
Il existe un besoin d'améliorer les dispositifs d'acquisition d'une image 2D et d'une image de profondeur d'une scène existants. Il serait souhaitable de réaliser un capteur d'images intégrant, dans un même réseau de pixels, des sous-pixels d'image 2D et des sous-pixels de profondeur, le capteur présentant notamment, pour l'acquisition des images de profondeur, une efficacité supérieure à celle des capteurs connus.There is a need to improve existing devices for acquiring a 2D image and a depth image of a scene. It would be desirable to produce an image sensor integrating, in the same network of pixels, 2D image sub-pixels and depth sub-pixels, the sensor presenting in particular, for the acquisition of depth images, a efficiency superior to that of known sensors.
Un objet d'un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des dispositifs d'acquisition d'une image 2D et d'une image de profondeur d'une scène connus.An object of one embodiment is to overcome all or part of the drawbacks of known devices for acquiring a 2D image and a depth image of a scene.
Pour cela, un mode de réalisation prévoit un capteur d'images comprenant une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur, chaque pixel comportant :
– au moins une première zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ;
– une deuxième zone photosensible formée dans le substrat semiconducteur à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ;
– au moins une zone de collecte de charges disposée du côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible ;
– au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– au moins une grille de transfert s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert.For this, one embodiment provides an image sensor comprising a plurality of pixels formed in and on a semiconductor substrate, each pixel comprising:
– at least a first photosensitive zone formed in the semiconductor substrate and adapted to capture light in a first range of wavelengths;
– a second photosensitive zone formed in the semiconductor substrate directly above said at least one first photosensitive zone and adapted to capture light in a second wavelength range, different from the first wavelength range;
– at least one charge collection zone arranged on the side of the substrate opposite to said at least one first photosensitive zone;
– at least one transfer region extending from said at least one first photosensitive zone to said at least one charge collection zone; And
– at least one transfer grid extending vertically between said at least one transfer region and the second photosensitive zone and laterally bordering said at least one transfer region.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte en outre une tranchée d'isolation périphérique s'étendant verticalement dans le substrat semiconducteur, depuis ledit côté de la deuxième zone photosensible, et délimitant latéralement ladite au moins une première zone photosensible et la deuxième zone photosensible.According to one embodiment, each pixel further comprises a peripheral insulation trench extending vertically in the semiconductor substrate, from said side of the second photosensitive zone, and laterally delimiting said at least one first photosensitive zone and the second photosensitive zone .
Selon un mode de réalisation, chaque grille de transfert comporte une première tranchée d'isolation s'étendant dans le substrat semiconducteur depuis ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible et pénétrant partiellement dans l'épaisseur de ladite au moins une première zone photosensible.According to one embodiment, each transfer gate comprises a first insulation trench extending into the semiconductor substrate from said side of the substrate opposite said at least one first photosensitive zone and partially penetrating into the thickness of said at least one first photosensitive area.
Selon un mode de réalisation, chaque zone de collecte de charges s'étend latéralement entre la tranchée d'isolation périphérique et la ou l'une des premières tranchées d'isolation.According to one embodiment, each charge collection zone extends laterally between the peripheral insulation trench and the or one of the first insulation trenches.
Selon un mode de réalisation, chaque grille de transfert est entourée par une deuxième tranchée d'isolation s'étendant verticalement dans le substrat depuis ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible.According to one embodiment, each transfer gate is surrounded by a second insulation trench extending vertically in the substrate from said side of the substrate opposite to said at least one first photosensitive zone.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte en outre au moins une autre grille de transfert s'étendant latéralement sur ledit côté du substrat opposé à ladite au moins une première zone photosensible et au moins une autre zone de collecte de charges.According to one embodiment, each pixel further comprises at least one other transfer gate extending laterally on said side of the substrate opposite to said at least one first photosensitive zone and at least one other charge collection zone.
Selon un mode de réalisation, chaque pixel comporte quatre premières zones photosensibles.According to one embodiment, each pixel has four first photosensitive zones.
Selon un mode de réalisation, les premières zones photosensibles sont isolées les unes des autres par une troisième tranchée d'isolation.According to one embodiment, the first photosensitive zones are isolated from each other by a third isolation trench.
Selon un mode de réalisation, la deuxième zone photosensible est sur et en contact avec la première zone photosensible.According to one embodiment, the second photosensitive zone is on and in contact with the first photosensitive zone.
Selon un mode de réalisation, le capteur comporte en outre un circuit de contrôle configuré pour appliquer alternativement, sur ladite au moins une grille de transfert :
– un premier potentiel adapté à bloquer un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges ; et
– un deuxième potentiel, différent du premier potentiel, adapté à permettre un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible vers ladite au moins une zone de collecte de charges.According to one embodiment, the sensor further comprises a control circuit configured to apply alternately, to said at least one transfer grid:
– a first potential adapted to block a transfer of charges from said at least one first photosensitive zone to said at least one charge collection zone; And
– a second potential, different from the first potential, adapted to allow a transfer of charges from said at least one first photosensitive zone to said at least one charge collection zone.
Selon un mode de réalisation, les premières zones photosensibles des pixels du capteur sont destinées à capturer une image 2D et les deuxièmes zones photosensibles des pixels du capteur sont destinées à capturer une image de profondeur.According to one embodiment, the first photosensitive areas of the sensor pixels are intended to capture a 2D image and the second photosensitive areas of the sensor pixels are intended to capture a depth image.
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :These characteristics and advantages, as well as others, will be explained in detail in the following description of particular embodiments given on a non-limiting basis in relation to the attached figures, among which:
la
la
la
la
la
la
la
la
la
la
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.The same elements have been designated by the same references in the different figures. In particular, the structural and/or functional elements common to the different embodiments may have the same references and may have identical structural, dimensional and material properties.
Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits (transistors et connexions) des pixels n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation et variantes décrits étant compatibles avec les circuits de pixels usuels. Par ailleurs, les circuits de lecture, ou décodeurs colonnes, les circuits de commande, ou décodeurs lignes, et les applications dans lesquelles peuvent être prévus des capteurs d'images n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation et variantes décrits étant compatibles avec les circuits de lecture et les circuits de commande des capteurs d'images usuels, ainsi qu'avec les applications usuelles mettant en œuvre des capteurs d'images.For the sake of clarity, only the steps and elements useful for understanding the embodiments described have been represented and are detailed. In particular, the circuits (transistors and connections) of the pixels have not been detailed, the embodiments and variants described being compatible with the usual pixel circuits. Furthermore, the reading circuits, or column decoders, the control circuits, or line decoders, and the applications in which image sensors can be provided have not been detailed, the embodiments and variants described being compatible with the reading circuits and the control circuits of usual image sensors, as well as with the usual applications using image sensors.
Sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l'on fait référence à deux éléments reliés (en anglais "coupled") entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l'intermédiaire d'un ou plusieurs autres éléments.Unless otherwise specified, when we refer to two elements connected to each other, this means directly connected without intermediate elements other than conductors, and when we refer to two elements connected (in English "coupled") to each other, this means that these two elements can be connected or be linked through one or more other elements.
On désigne par "transmittance d'une couche" le rapport entre l'intensité du rayonnement sortant de la couche et l'intensité du rayonnement entrant dans la couche. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit opaque à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est inférieure à 10 %. Dans la suite de la description, une couche ou un film est dit transparent à un rayonnement lorsque la transmittance du rayonnement au travers de la couche ou du film est supérieure à 10 %.We designate by “transmittance of a layer” the ratio between the intensity of the radiation leaving the layer and the intensity of the radiation entering the layer. In the remainder of the description, a layer or film is said to be opaque to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or film is less than 10%. In the remainder of the description, a layer or film is said to be transparent to radiation when the transmittance of the radiation through the layer or film is greater than 10%.
Dans la suite de la description, "lumière visible" désigne un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 380 nm et 780 nm et "rayonnement infrarouge" désigne un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 780 nm et 15 µm. En outre, "rayonnement infrarouge proche" désigne plus particulièrement un rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 780 nm et 1,7 µm.In the remainder of the description, "visible light" designates electromagnetic radiation whose wavelength is between 380 nm and 780 nm and "infrared radiation" designates electromagnetic radiation whose wavelength is between 780 nm and 780 nm. 15 µm. In addition, “near infrared radiation” refers more particularly to electromagnetic radiation whose wavelength is between 780 nm and 1.7 µm.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence sauf précision contraire à l'orientation des figures.In the following description, when referring to absolute position qualifiers, such as "front", "back", "up", "down", "left", "right", etc., or relative, such as the terms "above", "below", "superior", "lower", etc., or to qualifiers of orientation, such as the terms "horizontal", "vertical", etc., it is referred to unless otherwise specified in the orientation of the figures.
Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.Unless otherwise specified, the expressions "approximately", "approximately", "substantially", and "of the order of" mean to the nearest 10%, preferably to the nearest 5%.
La
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 est formé dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple en silicium. À titre d'exemple, le substrat 101 présente une épaisseur comprise entre 5 et 20 µm.In the example shown, the pixel 100 is formed in and on a semiconductor substrate 101, for example made of silicon. For example, the substrate 101 has a thickness of between 5 and 20 μm.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte des premières zones photosensibles 103 formées dans le substrat semiconducteur 101. Comme illustré en
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre une deuxième zone photosensible 105 formée dans le substrat semiconducteur 101. La deuxième zone photosensible 105 est située à l'aplomb des premières zones photosensibles 103 (au-dessus des premières zones photosensibles 103, dans l'orientation des figures 2 et 3). Comme illustré en figures 2 et 3, la zone photosensible 105 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis une face supérieure 101T du substrat 101, opposée à la face inférieure 101B. Vue de dessus, la zone photosensible 105 présente un pourtour de forme sensiblement carrée. Dans cet exemple, la zone photosensible 105 présente des dimensions latérales sensiblement égales à celles du carré formé par les quatre zones photosensibles 103. La zone photosensible 105 est par exemple formée dans une région du substrat 101 dopée d'un deuxième type de conductivité opposé au premier type de conductivité, le type p dans cet exemple. À titre d’exemple, le substrat 101 présente, dans la région où est formée la zone photosensible 105, un taux de dopage compris entre 1 x 1010et 1 x 101 7at./cm3. Dans cet exemple, la deuxième zone photosensible 105 est en contact, par sa face inférieure, avec la face supérieure des premières zones photosensibles 103 sous-jacentes.In the example shown, the pixel 100 further comprises a second photosensitive zone 105 formed in the semiconductor substrate 101. The second photosensitive zone 105 is located directly above the first photosensitive zones 103 (above the first photosensitive zones 103, in the orientation of Figures 2 and 3). As illustrated in Figures 2 and 3, the photosensitive zone 105 extends vertically in the thickness of the semiconductor substrate 101 from an upper face 101T of the substrate 101, opposite the lower face 101B. Seen from above, the photosensitive zone 105 has a substantially square perimeter. In this example, the photosensitive zone 105 has lateral dimensions substantially equal to those of the square formed by the four photosensitive zones 103. The photosensitive zone 105 is for example formed in a region of the substrate 101 doped with a second type of conductivity opposite to the first type of conductivity, type p in this example. For example, the substrate 101 has, in the region where the photosensitive zone 105 is formed, a doping rate of between 1 x 10 10 and 1 x 10 1 7 at./cm 3 . In this example, the second photosensitive zone 105 is in contact, via its lower face, with the upper face of the underlying first photosensitive zones 103.
Chaque zone photosensible 103, 105 est par exemple destinée à collecter des photons, lors de phases d'illumination du capteur d'images dont fait partie le pixel 100, et à convertir ces photons en paires électron-trou. Dans cet exemple, les premières zones photosensibles 103 sont adaptées à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes et la deuxième zone photosensible 105 est adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueur d'ondes. Les premières zones photosensibles 103 sont par exemple destinées à capturer des images 2D et la deuxième zone photosensible 105 est par exemple destinée à capturer des images de profondeur. À titre d'exemple, les zones photosensibles 103 du pixel 100 sont adaptées à capter de la lumière visible, par exemple de la lumière bleue, et la zone photosensible 105 du pixel 100 est adaptée à capter un rayonnement infrarouge, par exemple un rayonnement infrarouge proche.Each photosensitive zone 103, 105 is for example intended to collect photons, during illumination phases of the image sensor of which pixel 100 is a part, and to convert these photons into electron-hole pairs. In this example, the first photosensitive zones 103 are adapted to capture light in a first range of wavelengths and the second photosensitive zone 105 is adapted to capture light in a second range of wavelengths, different from the first wavelength range. The first photosensitive zones 103 are for example intended to capture 2D images and the second photosensitive zone 105 is for example intended to capture depth images. For example, the photosensitive zones 103 of the pixel 100 are adapted to capture visible light, for example blue light, and the photosensitive zone 105 of the pixel 100 is adapted to capture infrared radiation, for example infrared radiation. close.
Dans l'exemple représenté où les premières zones photosensibles et la deuxième zone photosensible sont en le même matériau, par exemple le silicium, la lumière visible et le rayonnement infrarouge sont absorbés majoritairement à des profondeurs différentes dans le substrat 101 depuis sa face inférieure 101B. Dans cet exemple, la profondeur d'absorption majoritaire de la lumière visible est inférieure à celle du rayonnement infrarouge. À titre d'exemple, la deuxième zone photosensible présente une épaisseur supérieure à celle des premières zones photosensibles, afin d'optimiser l'absorption du rayonnement infrarouge dans la deuxième zone photosensible. À titre de variante, on peut prévoir que les premières zones photosensibles soient en un premier matériau, par exemple le silicium, et que la deuxième zone photosensible soit en un deuxième matériau différent du premier matériau, par exemple le germanium ou un alliage silicium-germanium. Les premier et deuxième matériaux sont alors respectivement adaptés à absorber majoritairement des rayonnements infrarouge et visible.In the example shown where the first photosensitive zones and the second photosensitive zone are made of the same material, for example silicon, the visible light and the infrared radiation are mainly absorbed at different depths in the substrate 101 from its lower face 101B. In this example, the majority absorption depth of visible light is lower than that of infrared radiation. For example, the second photosensitive zone has a thickness greater than that of the first photosensitive zones, in order to optimize the absorption of infrared radiation in the second photosensitive zone. As a variant, it can be provided that the first photosensitive zones are made of a first material, for example silicon, and that the second photosensitive zone is made of a second material different from the first material, for example germanium or a silicon-germanium alloy. . The first and second materials are then respectively adapted to absorb mainly infrared and visible radiation.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre une tranchée d'isolation périphérique 107, par exemple une tranchée d'isolation capacitive, délimitant latéralement la deuxième zone photosensible 105 et l'arrangement formé par les premières zones photosensibles 103. Plus précisément, dans cet exemple, la tranchée d'isolation périphérique 107 entoure entièrement la zone photosensible 105 et présente, en vue de dessus, un contour de forme sensiblement carrée.In the example shown, the pixel 100 further comprises a peripheral insulation trench 107, for example a capacitive insulation trench, laterally delimiting the second photosensitive zone 105 and the arrangement formed by the first photosensitive zones 103. More precisely , in this example, the peripheral insulation trench 107 completely surrounds the photosensitive zone 105 and has, in top view, a contour of substantially square shape.
La tranchée d'isolation périphérique 107 permet d'isoler électriquement les zones photosensibles 103 et 105 du pixel 100 par rapport aux zones photosensibles des pixels voisins, non représentés en figures 1 à 3. La tranchée d'isolation périphérique 107 est formée dans le substrat 101. Dans l'orientation des figures 2 et 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis la face supérieure 101T du substrat 101 et jusqu'à la face inférieure 101B du substrat 101. En d'autres termes, la tranchée d'isolation périphérique 107 s'étend verticalement, dans cet exemple, sur toute l'épaisseur du substrat 101 et débouche du côté des faces supérieure 101T et inférieure 101B du substrat 101.The peripheral isolation trench 107 makes it possible to electrically isolate the photosensitive zones 103 and 105 of the pixel 100 with respect to the photosensitive zones of neighboring pixels, not shown in Figures 1 to 3. The peripheral insulation trench 107 is formed in the substrate 101. In the orientation of Figures 2 and 3, the peripheral insulation trench 107 extends vertically in the thickness of the substrate 101 from the upper face 101T of the substrate 101 and to the lower face 101B of the substrate 101. In other words, the peripheral insulation trench 107 extends vertically, in this example, over the entire thickness of the substrate 101 and opens out on the side of the upper 101T and lower 101B faces of the substrate 101.
La tranchée d'isolation périphérique 107 présente par exemple une largeur comprise entre 200 et 600 nm, et une profondeur comprise entre 1 et 20 µm. Dans l'exemple illustré en figures 2 et 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 présente une profondeur égale à l'épaisseur du substrat 101.The peripheral isolation trench 107 has for example a width of between 200 and 600 nm, and a depth of between 1 and 20 µm. In the example illustrated in Figures 2 and 3, the peripheral insulation trench 107 has a depth equal to the thickness of the substrate 101.
Bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 1 à 3, la tranchée d'isolation périphérique 107 comporte par exemple une région électriquement conductrice dont les parois latérales sont revêtues d'une couche électriquement isolante. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 107 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la région électriquement conductrice de la tranchée 107 est en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique et la couche électriquement isolante de la tranchée 107 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. À titre d'exemple, la tranchée d'isolation périphérique 107 est une tranchée de type CDTI (de l'anglais "Capacitive Deep Trench Isolation"), ou tranchée profonde d'isolation capacitive.Although this has not been detailed in Figures 1 to 3, the peripheral insulation trench 107 includes for example an electrically conductive region whose side walls are coated with an electrically insulating layer. The electrically insulating layer electrically insulates the electrically conductive region of the trench 107 relative to the substrate 101. For example, the electrically conductive region of the trench 107 is made of polycrystalline silicon, of a metal, for example copper, or of a metal alloy and the electrically insulating layer of the trench 107 is made of a dielectric material, for example silicon oxide. For example, the peripheral isolation trench 107 is a CDTI (Capacitive Deep Trench Isolation) type trench, or deep capacitive insulation trench.
Dans l'exemple représenté, les premières zones photosensibles 103 du pixel 100 sont séparées les unes des autres par une tranchée d'isolation 109, par exemple une tranchée d'isolation capacitive, par exemple de type CDTI. Dans cet exemple, le pixel 100 comporte plus précisément une tranchée d'isolation 109 présentant, en vue de dessus, une forme générale en croix sensiblement centrée par rapport au pixel 100. Comme illustré en figures 2 et 3, la tranchée d'isolation 109 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis la face inférieure 101B du substrat 101 jusqu'à la zone photosensible 105, sans toutefois déboucher du côté de la face supérieure 101T du substrat 101, la tranchée d'isolation 109 présentant par exemple, comme illustré en figures 2 et 3, une hauteur sensiblement égale à l'épaisseur des premières zones photosensibles 103. Dans l'exemple représenté, chaque première zone photosensible 103 est ainsi bordée latéralement par la tranchée d'isolation périphérique 107 et par la tranchée d'isolation 109. À titre d'exemple, la tranchée 109 présente une structure analogue à celle de la tranchée 107. Plus précisément, la tranchée 109 peut par exemple présenter une région électriquement conductrice, par exemple une région métallique, ou une région chargée, par exemple en silicium polycristallin chargé, dont les flancs sont revêtus d'une couche électriquement isolante. À titre de variante, la tranchée 109 est une tranchée d'isolation chargée, par exemple de type DTI (de l'anglais "Deep Trench Isolation"), ou tranchée profonde d'isolation chargée. Dans ce cas, la tranchée 109 est par exemple dépourvue de région électriquement conductrice.In the example shown, the first photosensitive zones 103 of the pixel 100 are separated from each other by an insulation trench 109, for example a capacitive insulation trench, for example of the CDTI type. In this example, the pixel 100 comprises more precisely an insulation trench 109 having, in top view, a general cross shape substantially centered in relation to the pixel 100. As illustrated in Figures 2 and 3, the insulation trench 109 extends vertically in the thickness of the semiconductor substrate 101 from the lower face 101B of the substrate 101 to the photosensitive zone 105, without however opening onto the side of the upper face 101T of the substrate 101, the insulation trench 109 having by example, as illustrated in Figures 2 and 3, a height substantially equal to the thickness of the first photosensitive zones 103. In the example shown, each first photosensitive zone 103 is thus bordered laterally by the peripheral insulation trench 107 and by the insulation trench 109. For example, the trench 109 has a structure similar to that of the trench 107. More precisely, the trench 109 can for example present an electrically conductive region, for example a metallic region, or a region charged, for example charged polycrystalline silicon, the sides of which are coated with an electrically insulating layer. As a variant, the trench 109 is a charged insulation trench, for example of the DTI (Deep Trench Isolation) type, or deep charged insulation trench. In this case, the trench 109 is for example devoid of an electrically conductive region.
Dans l'exemple illustré en figures 1 à 3, le pixel 100 comporte en outre quatre grilles de transfert verticales TG comprenant chacune une tranchée d'isolation 111, par exemple une tranchée d'isolation capacitive. Dans cet exemple, chaque tranchée d'isolation 111 présente, en vue de dessus, une forme générale en L. Comme illustré en figures 2 et 3, chaque tranchée d'isolation 111 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat semiconducteur 101 depuis la face supérieure 101T du substrat 101 jusqu'à l'une des premières zones photosensibles 103, et pénètre partiellement dans la zone photosensible 103 jusqu'à une profondeur inférieure à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. En d'autres termes, chaque tranchée d'isolation 111 s'interrompt dans l'épaisseur du substrat 101 et ne débouche pas du côté de la face inférieure 101B du substrat 101. À titre d'exemple, chaque tranchée d'isolation 111 présente une profondeur comprise entre 3 et 18 µm.In the example illustrated in Figures 1 to 3, the pixel 100 further comprises four vertical transfer grids TG each comprising an insulation trench 111, for example a capacitive insulation trench. In this example, each insulation trench 111 has, in top view, a general L shape. As illustrated in Figures 2 and 3, each insulation trench 111 extends vertically in the thickness of the semiconductor substrate 101 from the upper face 101T of the substrate 101 up to one of the first photosensitive zones 103, and partially penetrates into the photosensitive zone 103 to a depth less than that of the peripheral insulation trench 107. In other words, each insulation trench 111 is interrupted in the thickness of the substrate 101 and does not open onto the side of the lower face 101B of the substrate 101. For example, each insulation trench 111 has a depth of between 3 and 18 µm.
Dans cet exemple, les tranchées d'isolation 111 sont, en vue de dessus, situées aux quatre coins du carré formé par la tranchée d'isolation périphérique 107. Les tranchées d'isolation 111 sont plus précisément disposées de sorte à délimiter des régions du substrat 101 présentant, en vue de dessus, une forme sensiblement carrée. Dans l'exemple illustré en
Chaque tranchée d'isolation 111 présente par exemple une structure analogue à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. Plus précisément, bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 1 à 3, chaque tranchée d'isolation 111 comporte par exemple une région électriquement conductrice, par exemple en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique. La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple en le même matériau que la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. En outre, chaque tranchée 111 comporte par exemple une couche électriquement isolante revêtant les parois latérales et la face inférieure de la région électriquement conductrice. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 111 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la couche électriquement isolante de chaque tranchée 111 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. La couche électriquement isolante de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple en le même matériau que la couche électriquement isolante de la tranchée d'isolation périphérique 107.Each insulation trench 111 has for example a structure similar to that of the peripheral insulation trench 107. More precisely, although this has not been detailed in Figures 1 to 3, each insulation trench 111 comprises for example an electrically conductive region, for example made of polycrystalline silicon, a metal, for example copper, or a metal alloy. The electrically conductive region of each insulation trench 111 is for example made of the same material as the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. In addition, each trench 111 comprises for example an electrically insulating layer covering the side walls and the underside of the electrically conductive region. The electrically insulating layer electrically insulates the electrically conductive region of the trench 111 relative to the substrate 101. For example, the electrically insulating layer of each trench 111 is made of a dielectric material, for example silicon oxide. The electrically insulating layer of each insulation trench 111 is for example made of the same material as the electrically insulating layer of the peripheral insulation trench 107.
La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple électriquement isolée de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cela permet par exemple de polariser la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 indépendamment de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107.The electrically conductive region of each insulation trench 111 is for example electrically isolated from the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. This makes it possible, for example, to polarize the electrically conductive region of each insulation trench 111 independently of the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107.
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des zones 113 de collecte de charges disposées du côté du substrat opposé aux premières zones photosensibles 103, c'est-à-dire du côté de la face 101T du substrat. Dans l'orientation de la
Dans l'exemple représenté, chaque première zone photosensible 103 comporte une région 115 dopée du deuxième type de conductivité, le type p dans cet exemple. Les régions 115 sont par exemple fortement dopées de type p (p+). Dans cet exemple, les régions 115 s'étendent verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis une face des zones photosensibles 103 située du côté de la zone photosensible 105 jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur des zones photosensibles 103. À l'intérieur de chaque première zone photosensible 103, la région 115 forme, avec une partie du substrat 101 dopée du premier type de conductivité, le type n dans cet exemple, une photodiode. La région 115 permet en outre de bloquer des transferts de charges depuis les zones photosensibles 103 vers la zone photosensible 105 du pixel 101. À titre de variante, la région 115 peut être omise, par exemple dans un cas où la grille de transfert verticale TG est proche de la tranchée d'isolation 109.In the example shown, each first photosensitive zone 103 comprises a region 115 doped with the second type of conductivity, the p type in this example. Regions 115 are for example heavily doped with p-type (p+). In this example, the regions 115 extend vertically in the thickness of the substrate 101 from one face of the photosensitive zones 103 located on the side of the photosensitive zone 105 to a depth less than the thickness of the photosensitive zones 103. Inside each first photosensitive zone 103, the region 115 forms, with a part of the substrate 101 doped with the first type of conductivity, the n type in this example, a photodiode. Region 115 also makes it possible to block charge transfers from photosensitive zones 103 to photosensitive zone 105 of pixel 101. As a variant, region 115 can be omitted, for example in a case where the vertical transfer grid TG is close to isolation trench 109.
Dans l'exemple représenté, la zone photosensible 105 comporte une région 117 dopée du premier type de conductivité, le type n dans cet exemple. Dans cet exemple, la région 117 s'étend verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la deuxième zone photosensible 105. Dans l'exemple illustré en
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des zones 119 de collecte de charges disposées du côté du substrat opposé aux premières zones photosensibles 103, c'est-à-dire du côté de la face supérieure 101T du substrat. Dans l'orientation de la
Dans l'exemple représenté, le pixel 100 comporte en outre des grilles de transfert 121, par exemple des grilles de transfert planaires, situées sur et en contact avec la face supérieure 101T du substrat 101. Chaque grille de transfert 121 est par exemple située à l'aplomb d'une partie du substrat 101 comprise entre la région 117 et l'une des zones de collecte de charges 119. À titre de variante, on pourrait prévoir des nombres de grilles de transfert 121 et de zones de collecte de charges 119 différents de ceux représentés, par exemple quatre zones de collecte de charges 119 associées respectivement à quatre grilles de transfert 121.In the example shown, the pixel 100 further comprises transfer grids 121, for example planar transfer grids, located on and in contact with the upper face 101T of the substrate 101. Each transfer grid 121 is for example located at the plumb line of a part of the substrate 101 between region 117 and one of the charge collection zones 119. As a variant, numbers of transfer grids 121 and charge collection zones 119 could be provided different from those shown, for example four charge collection zones 119 associated respectively with four transfer grids 121.
Dans cet exemple, les zones photosensibles 103 et 105 sont destinées à être illuminées depuis la face inférieure 101B du substrat 101. Comme illustré en figures 2 et 3, le pixel 100 peut en outre comporter des filtres couleur 123 situés sur et en contact avec la face inférieure 101B du substrat 101. Dans l'exemple représenté, chaque filtre couleur 123 est situé à l'aplomb de l'une des premières zones photosensibles 103. Chaque filtre couleur 123 est par exemple transparent à une partie uniquement du spectre visible, par exemple à de la lumière bleue, et à au moins une partie du spectre infrarouge, par exemple au rayonnement infrarouge proche. Bien que cela n'ait pas été représenté en figures 1 à 3, le pixel 100 peut en outre comporter une ou plusieurs couches de passivation, par exemple intercalées entre la face inférieure 101B du substrat 101 et les filtres couleur 123, et d'autres éléments optiques tels qu'une ou plusieurs microlentilles.In this example, the photosensitive zones 103 and 105 are intended to be illuminated from the lower face 101B of the substrate 101. As illustrated in Figures 2 and 3, the pixel 100 can also include color filters 123 located on and in contact with the lower face 101B of the substrate 101. In the example shown, each color filter 123 is located directly above one of the first photosensitive zones 103. Each color filter 123 is for example transparent to only part of the visible spectrum, for example for example blue light, and at least part of the infrared spectrum, for example near infrared radiation. Although this has not been shown in Figures 1 to 3, the pixel 100 may also comprise one or more passivation layers, for example interposed between the lower face 101B of the substrate 101 and the color filters 123, and others optical elements such as one or more microlenses.
Bien que cela n'ait pas été illustré, au moins un plot conducteur peut être situé sur et en contact avec la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Ce plot conducteur permet de polariser la région électriquement conductrice de la tranchée 107. À titre d'exemple, la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107 est portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -2 V. Cela tend à provoquer une accumulation de trous le long des parois latérales de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cette accumulation de trous permet notamment d'éviter que des trous photogénérés dans la zone photosensible 105 ne soient piégés à l'interface entre le substrat 101 et la tranchée d'isolation périphérique 107 et permet en outre de fournir un potentiel adapté au fonctionnement de la photodiode de chacun des pixels d'image 2D.Although this has not been illustrated, at least one conductive pad can be located on and in contact with the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. This conductive pad makes it possible to polarize the electrically conductive region of the trench 107. As an example, the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107 is brought to a fixed potential, for example a negative potential, for example equal to about -2 V. This tends to cause an accumulation of holes the along the side walls of the peripheral insulation trench 107. This accumulation of holes makes it possible in particular to prevent photogenerated holes in the photosensitive zone 105 from being trapped at the interface between the substrate 101 and the peripheral insulation trench 107 and also makes it possible to provide a potential adapted to the operation of the photodiode of each of the 2D image pixels.
En outre, bien que cela n'ait pas été représenté en figures 1 à 3, on peut prévoir un autre plot conducteur situé sur et en contact avec la face supérieure 101T du substrat 101, par exemple à proximité de l'une des zones de collecte de charges 119, et une région fortement dopée du deuxième type de conductivité (région p+, dans cet exemple) s'étendant sous la face supérieure 101T du substrat 101 à l'aplomb du plot conducteur. La région fortement dopée du deuxième type de conductivité est par exemple soumise, par le plot conducteur, à un potentiel sensiblement nul. Cela permet de fournir les trous s'accumulant le long des parois latérales de la tranchée d'isolation périphérique 107.Furthermore, although this has not been shown in Figures 1 to 3, it is possible to provide another conductive pad located on and in contact with the upper face 101T of the substrate 101, for example near one of the zones of charge collection 119, and a heavily doped region of the second type of conductivity (p+ region, in this example) extending under the upper face 101T of the substrate 101 directly above the conductive pad. The heavily doped region of the second type of conductivity is for example subjected, by the conductive pad, to a substantially zero potential. This makes it possible to provide the holes accumulating along the side walls of the peripheral insulation trench 107.
Le pixel 100 peut en outre comporter au moins un autre plot conducteur situé sur et en contact avec la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111. Ces plots conducteurs sont par exemple destinés à polariser les régions électriquement conductrices des tranchées 111.The pixel 100 may further comprise at least one other conductive pad located on and in contact with the electrically conductive region of each insulation trench 111. These conductive pads are for example intended to polarize the electrically conductive regions of the trenches 111.
Lors d'une phase d'exposition du pixel 100, des paires électron-trou sont par exemple créées à l'intérieur de chaque zone photosensible 103. Durant cette phase, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -1,5 V, par un circuit de contrôle (non représenté). Pendant la phase d'exposition du capteur, l'application de ce potentiel sur la région électriquement conductrice de chaque tranchée 111 permet de former une barrière de potentiel dans une région de transfert située à l'intérieur de chaque grille de transfert verticale TG, entre la zone photosensible 103 et la zone de collecte 113. Dans l'exemple représenté, la région de transfert est bordée par les parois latérales internes de la tranchée d'isolation périphérique 107 et de la tranchée d'isolation 111, et s'étend verticalement, dans l'épaisseur du substrat 101, sous la zone de collecte 113.During an exposure phase of the pixel 100, electron-hole pairs are for example created inside each photosensitive zone 103. During this phase, the electrically conductive region of each insulation trench 111 is for example carried at a fixed potential, for example a negative potential, for example equal to approximately -1.5 V, by a control circuit (not shown). During the sensor exposure phase, the application of this potential to the electrically conductive region of each trench 111 makes it possible to form a potential barrier in a transfer region located inside each vertical transfer grid TG, between the photosensitive zone 103 and the collection zone 113. In the example shown, the transfer region is bordered by the internal side walls of the peripheral insulation trench 107 and the insulation trench 111, and extends vertically , in the thickness of the substrate 101, under the collection zone 113.
La présence de la barrière de potentiel dans la région de transfert permet, au cours de la phase d'exposition, de bloquer un transfert d'électrons photogénérés depuis la zone photosensible 103 vers la zone de collecte 113. Cette barrière de potentiel résulte de la présence, le long des parois latérales des tranchées d'isolation 107 et 111, d'une couche d'inversion attirant les trous, dans cet exemple.The presence of the potential barrier in the transfer region makes it possible, during the exposure phase, to block a transfer of photogenerated electrons from the photosensitive zone 103 to the collection zone 113. This potential barrier results from the presence, along the side walls of the insulation trenches 107 and 111, of an inversion layer attracting the holes, in this example.
Lors d'une phase de lecture postérieure à la phase d'exposition, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 111 est par exemple portée à un potentiel supérieur au potentiel appliqué pendant la phase d'exposition, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 0,5 V, par le circuit de contrôle (non représenté). L'application de ce potentiel sur la région électriquement conductrice de chaque tranchée 111 permet d'abaisser, voire de supprimer, la barrière de potentiel dans la région de transfert entre les zones photosensibles 103 et les zones de collecte de charges 113. La disparition de la barrière de potentiel permet, pendant la phase de lecture, un transfert 125 d'électrons photogénérés depuis les zones photosensibles 103 vers les zones de collecte 113. À titre d'exemple, les zones de collecte de charges 113 sont portées chacune à un potentiel fixe, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 2,5 V, lors des phases d'exposition et de lecture. Cela permet d'attirer les électrons photogénérés vers les zones 113 lors de la phase de lecture.During a reading phase subsequent to the exposure phase, the electrically conductive region of each insulation trench 111 is for example brought to a potential greater than the potential applied during the exposure phase, for example a positive potential, for example equal to approximately 0.5 V, by the control circuit (not shown). The application of this potential to the electrically conductive region of each trench 111 makes it possible to lower, or even eliminate, the potential barrier in the transfer region between the photosensitive zones 103 and the charge collection zones 113. The disappearance of the potential barrier allows, during the reading phase, a transfer 125 of photogenerated electrons from the photosensitive zones 103 to the collection zones 113. For example, the charge collection zones 113 are each brought to a potential fixed, for example a positive potential, for example equal to approximately 2.5 V, during the exposure and reading phases. This makes it possible to attract the photogenerated electrons towards zones 113 during the reading phase.
En outre, lors d'une phase d'exposition du pixel 100, des paires électron-trou sont par exemple créées à l'intérieur de la zone photosensible 105. Au cours de cette phase, les électrons photogénérés dans la zone 105 sont par exemple transférés, tour à tour, vers les différentes zones de collecte de charges 119 du pixel 100. Pour cela, l'une des grilles de transfert planaires 121 est par exemple portée à un premier potentiel permettant de transférer les électrons photogénérés depuis la zone 105 vers l'une des zone 119, tandis que les autres grilles 121 sont portées à un deuxième potentiel permettant de bloquer le transfert des électrons vers les autres zones 119. Puis, une autre grille 121 est portée au premier potentiel, les autres grilles étant alors portées au deuxième potentiel, et ainsi de suite jusqu'à ce que toutes les grilles 121 aient été successivement portées au premier potentiel. Lors d'une même phase d'exposition, on ouvre ainsi séquentiellement les grilles 121 du pixel 100, par exemple en appliquant sur ces grilles des signaux de commande déphasés les uns par rapport aux autres, afin de permettre le transfert des électrons photogénérés depuis la zone photosensible 105 vers une seule zone de collecte 119 à la fois. Cette séquence d'ouverture des grilles de transfert 121 est par exemple répétée à de nombreuses reprises durant la phase d'exposition. Cela permet par exemple au pixel 100 de mettre en œuvre des mesures de distance par temps de vol, par exemple des mesures de temps de vol indirectes ("indirect Time of Flight" - iToF, en anglais). À titre d'exemple, la fréquence d'ouverture de chaque grille de transfert 121 est comprise entre 10 et 300 MHz et chaque phase d'exposition comporte un nombre de périodes d'ouverture des grilles de transfert 121 compris entre dix mille et un million.Furthermore, during an exposure phase of the pixel 100, electron-hole pairs are for example created inside the photosensitive zone 105. During this phase, the electrons photogenerated in the zone 105 are for example transferred, in turn, to the different charge collection zones 119 of pixel 100. For this, one of the planar transfer grids 121 is for example brought to a first potential making it possible to transfer the photogenerated electrons from zone 105 to one of the zones 119, while the other grids 121 are brought to a second potential making it possible to block the transfer of electrons to the other zones 119. Then, another grid 121 is brought to the first potential, the other grids then being brought to the second potential, and so on until all the grids 121 have been successively brought to the first potential. During the same exposure phase, the grids 121 of the pixel 100 are thus sequentially opened, for example by applying to these grids control signals out of phase with each other, in order to allow the transfer of the photogenerated electrons from the photosensitive zone 105 towards a single collection zone 119 at a time. This sequence of opening the transfer gates 121 is for example repeated numerous times during the exposure phase. This allows for example the pixel 100 to implement distance measurements by time of flight, for example indirect Time of Flight measurements ("indirect Time of Flight" - iToF, in English). For example, the opening frequency of each transfer gate 121 is between 10 and 300 MHz and each exposure phase includes a number of opening periods of the transfer gates 121 of between ten thousand and one million. .
Au cours de la phase d'exposition, les grilles 121 qui sont portées au deuxième potentiel imposent une barrière de potentiel dans une région de transfert située entre la région 117 de la zone photosensible 105 et les zones de collecte 119 associées à ces grilles. Cette barrière de potentiel résulte de la présence, sous les grilles de transfert planaires 121 portées au deuxième potentiel, d'une couche d'inversion attirant les trous, dans cet exemple. À l'inverse, la grille 121 qui est portée au premier potentiel abaisse, voire supprime, la barrière de potentiel dans la région de transfert située entre la région 117 et la zone de collecte de charges 119 associée à cette grille. À titre d'exemple, le premier potentiel est positif, par exemple égal à environ 0,5 V, et le deuxième potentiel est inférieur au premier potentiel, par exemple négatif, par exemple égal à environ -2 V.During the exposure phase, the grids 121 which are brought to the second potential impose a potential barrier in a transfer region located between the region 117 of the photosensitive zone 105 and the collection zones 119 associated with these grids. This potential barrier results from the presence, under the planar transfer grids 121 brought to the second potential, of an inversion layer attracting the holes, in this example. Conversely, the grid 121 which is brought to the first potential lowers, or even eliminates, the potential barrier in the transfer region located between the region 117 and the charge collection zone 119 associated with this grid. For example, the first potential is positive, for example equal to approximately 0.5 V, and the second potential is lower than the first potential, for example negative, for example equal to approximately -2 V.
À titre d'exemple, les zones de collecte de charges 119 sont portées chacune à un potentiel fixe de départ, par exemple un potentiel positif, par exemple égal à environ 2,5 V, préalablement à la phase d'exposition. Cela permet d'attirer les électrons photogénérés vers les zones 119 lors de la phase d'exposition. Durant la phase d'exposition, le potentiel de chaque zone 119 diminue en fonction d'un nombre d'électrons transférés depuis la zone photosensible 105 vers cette zone 119. À la fin de la phase d'exposition, le potentiel des zones 119 est par exemple mesuré pour déterminer la quantité totale de charges ayant été intégrées par chaque zone 119 pendant la phase d'exposition. Une fois la mesure terminée, les zones de collecte de charges sont par exemple portées à nouveau au potentiel de départ avant la phase d'exposition suivante.For example, the charge collection zones 119 are each brought to a fixed starting potential, for example a positive potential, for example equal to approximately 2.5 V, prior to the exposure phase. This makes it possible to attract the photogenerated electrons towards the zones 119 during the exposure phase. During the exposure phase, the potential of each zone 119 decreases as a function of a number of electrons transferred from the photosensitive zone 105 to this zone 119. At the end of the exposure phase, the potential of the zones 119 is for example measured to determine the total quantity of charges having been integrated by each zone 119 during the exposure phase. Once the measurement is completed, the charge collection zones are for example brought back to the starting potential before the next exposure phase.
Dans l'exemple représenté où le pixel 100 comporte trois grilles de transfert planaires 121 respectivement associées à trois zones de collecte de charges 119, l'une des grilles de transfert planaires 121 et la zone de collecte de charges 119 associée à cette grille peuvent jouer un rôle de dispositif anti-éblouissement ("antiblooming", en anglais). Plus précisément, l'une des grilles de transfert planaires peut être commandée de sorte à permettre une évacuation de charges photogénérées excédentaires lorsque le pixel 100 est en phase de lecture.In the example shown where the pixel 100 comprises three planar transfer grids 121 respectively associated with three charge collection zones 119, one of the planar transfer grids 121 and the charge collection zone 119 associated with this grid can play a role. a role as an anti-glare device (“antiblooming”, in English). More precisely, one of the planar transfer gates can be controlled so as to allow excess photogenerated charges to be evacuated when the pixel 100 is in the reading phase.
Un avantage du pixel 100 décrit ci-dessus en relation avec les figures 1 à 3 tient au fait que les premières zones photosensibles semiconductrices 103 et la deuxième zone photosensible semiconductrice 105 sont superposées sans couche intermédiaire, la deuxième zone photosensible 105 étant sur et en contact des premières zones photosensibles. Cela permet notamment de limiter les pertes lors de la transmission de la lumière depuis les premières zones photosensibles 103 vers la deuxième zone photosensible 105, par exemple par rapport à un pixel dans lequel les zones photosensibles 103 et 105 seraient préalablement réalisées chacune sur des substrats différents, ces substrats étant par la suite reportés l'un sur l'autre. En particulier, l'absence de structures d'interconnexion situées entre les premières zones photosensibles et la deuxième zone photosensible et formées par exemple dans des niveaux de métallisation séparés les uns des autres par des couches isolantes permet de limiter les pertes en transmission.An advantage of the pixel 100 described above in relation to Figures 1 to 3 lies in the fact that the first semiconductor photosensitive zones 103 and the second semiconductor photosensitive zone 105 are superimposed without an intermediate layer, the second photosensitive zone 105 being on and in contact of the first photosensitive areas. This makes it possible in particular to limit losses during the transmission of light from the first photosensitive zones 103 to the second photosensitive zone 105, for example with respect to a pixel in which the photosensitive zones 103 and 105 would each previously be produced on different substrates. , these substrates being subsequently transferred onto each other. In particular, the absence of interconnection structures located between the first photosensitive zones and the second photosensitive zone and formed for example in metallization levels separated from each other by insulating layers makes it possible to limit transmission losses.
La
Le pixel 200 des figures 4 et 5 comprend des éléments communs avec le pixel 100 des figures 1 à 3. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après. Le pixel 200 des figures 4 et 5 diffère du pixel 100 des figures 1 à 3 en ce que le pixel 200 comporte en outre des tranchées d'isolation 201, par exemple des tranchées d'isolation capacitives, entourant les tranchées d'isolation 111.The pixel 200 of Figures 4 and 5 includes elements in common with the pixel 100 of Figures 1 to 3. These common elements will not be detailed again below. The pixel 200 of Figures 4 and 5 differs from the pixel 100 of Figures 1 to 3 in that the pixel 200 further comprises insulation trenches 201, for example capacitive insulation trenches, surrounding the insulation trenches 111.
Dans cet exemple, le pixel 100 comporte plus précisément quatre tranchées d'isolation 201 présentant chacune, en vue de dessus, une forme générale en L. Comme illustré en
Dans cet exemple, les tranchées d'isolation 201 sont, en vue de dessus, situées aux quatre coins du carré formé par la tranchée d'isolation périphérique 107. Les tranchées d'isolation 201 sont plus précisément disposées de sorte à délimiter des régions du substrat 101 présentant, en vue de dessus, une forme sensiblement carrée. Dans l'exemple illustré en
Chaque tranchée d'isolation 201 présente par exemple une structure analogue à celle de la tranchée d'isolation périphérique 107. Plus précisément, bien que cela n'ait pas été détaillé en figures 4 et 5, chaque tranchée d'isolation 201 comporte par exemple une région électriquement conductrice, par exemple en silicium polycristallin, en un métal, par exemple le cuivre, ou en un alliage métallique. La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple en le même matériau que la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. En outre, chaque tranchée 201 comporte par exemple une couche électriquement isolante revêtant les parois latérales et la face inférieure de la région électriquement conductrice. La couche électriquement isolante isole électriquement la région électriquement conductrice de la tranchée 201 par rapport au substrat 101. À titre d'exemple, la couche électriquement isolante de chaque tranchée 201 est en un matériau diélectrique, par exemple en oxyde de silicium. La couche électriquement isolante de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple en le même matériau que la couche électriquement isolante de la tranchée d'isolation périphérique 107.Each insulation trench 201 has for example a structure similar to that of the peripheral insulation trench 107. More precisely, although this has not been detailed in Figures 4 and 5, each insulation trench 201 comprises for example an electrically conductive region, for example made of polycrystalline silicon, a metal, for example copper, or a metal alloy. The electrically conductive region of each insulation trench 201 is for example made of the same material as the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. In addition, each trench 201 comprises for example an electrically insulating layer covering the side walls and the underside of the electrically conductive region. The electrically insulating layer electrically insulates the electrically conductive region of the trench 201 relative to the substrate 101. For example, the electrically insulating layer of each trench 201 is made of a dielectric material, for example silicon oxide. The electrically insulating layer of each insulation trench 201 is for example made of the same material as the electrically insulating layer of the peripheral insulation trench 107.
La région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est par exemple électriquement isolée de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. Cela permet par exemple de polariser la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 indépendamment de la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107. À titre de variante, les régions électriquement conductrices des tranchées d'isolation 201 peuvent être en contact avec la région électriquement conductrice de la tranchée d'isolation périphérique 107.The electrically conductive region of each insulation trench 201 is for example electrically isolated from the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. This makes it possible, for example, to polarize the electrically conductive region of each insulation trench 201 independently of the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107. Alternatively, the electrically conductive regions of the insulation trenches 201 may be in contact with the electrically conductive region of the peripheral insulation trench 107.
Durant les phases d'exposition et de lecture du pixel 200, la région électriquement conductrice de chaque tranchée d'isolation 201 est portée à un potentiel fixe, par exemple un potentiel négatif, par exemple égal à environ -2 V. Cela tend à provoquer une accumulation de trous le long des parois latérales des tranchées d'isolation 201. Cette accumulation de trous permet notamment d'éviter, lors de la phase de lecture des premières zones photosensibles 103, que des trous photogénérés dans la deuxième zone photosensible 105 ne soient piégés à l'interface entre le substrat 101 et les tranchées d'isolation 111. Dans le cas du pixel 200, les régions 115 peuvent en outre être omises du fait de la présence des tranchées d'isolation 201.During the exposure and reading phases of the pixel 200, the electrically conductive region of each insulation trench 201 is brought to a fixed potential, for example a negative potential, for example equal to approximately -2 V. This tends to cause an accumulation of holes along the side walls of the insulation trenches 201. This accumulation of holes makes it possible in particular to avoid, during the reading phase of the first photosensitive zones 103, that holes photogenerated in the second photosensitive zone 105 are not trapped at the interface between the substrate 101 and the insulation trenches 111. In the case of the pixel 200, the regions 115 can also be omitted due to the presence of the insulation trenches 201.
Un avantage du pixel 200 décrit ci-dessus en relation avec les figures 4 et 5 tient au fait que les tranchées d'isolation 201 permettent de commander les grilles verticales TG associées aux premières zones photosensibles 103 tout en évitant que des charges photogénérées ne soient piégées à l'interface entre le substrat 101 et les tranchées d'isolation 111. Cela permet avantageusement au pixel 200 d'acquérir simultanément des images 2D et des images de profondeur.An advantage of the pixel 200 described above in relation to Figures 4 and 5 lies in the fact that the insulation trenches 201 make it possible to control the vertical grids TG associated with the first photosensitive zones 103 while preventing photogenerated charges from being trapped at the interface between the substrate 101 and the insulation trenches 111. This advantageously allows the pixel 200 to simultaneously acquire 2D images and depth images.
Les figures 6 à 10 sont des vues en coupe, schématiques et partielles, illustrant des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication du pixel 100 selon un mode de réalisation.Figures 6 to 10 are schematic and partial sectional views, illustrating successive stages of an example of a method of manufacturing the pixel 100 according to one embodiment.
La
Le substrat semiconducteur 601 est par exemple une plaquette ou un morceau de plaquette dont seule une partie est représentée en
Dans l'exemple représenté, on forme plus précisément, lors de l'étape d'implantation ionique, un caisson 605 s'étendant verticalement dans l'épaisseur du substrat 601 depuis sa face supérieure 601T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur du substrat 601. À titre d'exemple, dans le cas où le substrat semiconducteur 601 est en silicium, le caisson 605 est réalisé par implantation d'ions bore (B3+) de sorte à obtenir un dopage de type p.In the example shown, more precisely, during the ion implantation step, a box 605 is formed, extending vertically in the thickness of the substrate 601 from its upper face 601T to a depth less than the thickness of the substrate 601. For example, in the case where the semiconductor substrate 601 is made of silicon, the box 605 is produced by implantation of boron ions (B 3+ ) so as to obtain p-type doping.
La couche 603 est ensuite formée, par croissance épitaxiale, sur et en contact avec la face supérieure 601T du substrat semiconducteur 601. La couche 603 est dopée du deuxième type de conductivité, le type p dans cet exemple. À titre d'exemple, la couche 603 est en le même matériau que le substrat semiconducteur 601.The layer 603 is then formed, by epitaxial growth, on and in contact with the upper face 601T of the semiconductor substrate 601. The layer 603 is doped with the second type of conductivity, the p type in this example. For example, layer 603 is made of the same material as semiconductor substrate 601.
Le substrat semiconducteur 601 et la couche 603 forment par exemple conjointement le substrat semiconducteur 100 du pixel 100 des figures 1 à 3.The semiconductor substrate 601 and the layer 603 for example jointly form the semiconductor substrate 100 of the pixel 100 of Figures 1 to 3.
La
La
Dans l'exemple représenté, on forme plus précisément, lors de l'étape d'implantation ionique, un caisson correspondant à la région 117 s'étendant verticalement dans l'épaisseur du substrat 101 depuis sa face supérieure 101T. Plus précisément, dans cet exemple, la région 117 s'étend verticalement depuis la face 101T jusqu'à une profondeur inférieure à l'épaisseur de la couche 603.In the example shown, more precisely, during the ion implantation step, a box corresponding to region 117 extending vertically in the thickness of the substrate 101 from its upper face 101T is formed. More precisely, in this example, region 117 extends vertically from face 101T to a depth less than the thickness of layer 603.
La
Les zones de collecte de charges 113 et 119 sont par exemple réalisées par implantation ionique localisée du côté de la face supérieure 101T du substrat 101.The charge collection zones 113 and 119 are for example produced by ion implantation localized on the side of the upper face 101T of the substrate 101.
La
Les grilles 121 sont par exemple obtenues à l'issue d'une étape de dépôt d'une couche revêtant la face supérieure 101T du substrat 101, suivies d'étapes de photolithographie puis gravure.The grids 121 are for example obtained at the end of a step of deposition of a layer covering the upper face 101T of the substrate 101, followed by steps of photolithography then etching.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d'autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, la personne du métier est capable, à partir de la présente description, d'adapter les modes de réalisation décrits à des pixels comportant chacun un nombre de premières zones photosensibles différent de celui représenté en figures 1 à 5. La personne du métier est notamment capable de réaliser des pixels comportant chacun une deuxième zone photosensible superposée à une seule première zone photosensible. Dans ce cas, la tranchée d'isolation 109 peut être omise et une seule grille de transfert verticale peut être prévue. La personne du métier est en outre capable de réaliser des pixels comportant chacun une deuxième zone photosensible superposée à deux premières zones photosensibles, les deux premières zones photosensibles étant par exemple séparées dans ce cas par une seule tranchée d'isolation.Various embodiments and variants have been described. Those skilled in the art will understand that certain features of these various embodiments and variations could be combined, and other variations will become apparent to those skilled in the art. In particular, the person skilled in the art is capable, from the present description, of adapting the embodiments described to pixels each comprising a number of first photosensitive zones different from that shown in Figures 1 to 5. The person skilled in the art is in particular capable of producing pixels each comprising a second photosensitive zone superimposed on a single first photosensitive zone. In this case, the insulation trench 109 can be omitted and a single vertical transfer grid can be provided. The person skilled in the art is also capable of producing pixels each comprising a second photosensitive zone superimposed on two first photosensitive zones, the first two photosensitive zones being for example separated in this case by a single insulation trench.
Par ailleurs, les modes de réalisation ne se limitent pas aux exemples de géométries ci-dessus. En particulier, les pixels, les zones photosensibles et les tranchées d'isolation peuvent présenter des géométries différentes de celles indiquées dans la présente description.Furthermore, the embodiments are not limited to the examples of geometries above. In particular, the pixels, the photosensitive zones and the isolation trenches may have geometries different from those indicated in the present description.
En outre, bien que l'on ait décrit ci-dessus des modes de réalisation dans lesquels le pixel comporte trois grilles planaires 121 associées à trois zones de collecte de charges 119, la personne du métier est capable de prévoir un nombre de grilles 121 et de zones 119 en fonction de l'application, par exemple une grille 121 et une zone 119 destinées à l'acquisition de l'image de profondeur, et une grille 121 et une zone 119 destinées à l'anti-éblouissement.Furthermore, although embodiments have been described above in which the pixel comprises three planar grids 121 associated with three charge collection zones 119, the person skilled in the art is capable of providing a number of grids 121 and of zones 119 depending on the application, for example a grid 121 and a zone 119 intended for the acquisition of the depth image, and a grid 121 and a zone 119 intended for anti-glare.
Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la personne du métier est capable d'adapter le procédé décrit en relation avec les figures 6 à 10 pour réaliser le pixel 200 des figures 4 et 5 à partir des indications ci-dessus.Finally, the practical implementation of the embodiments and variants described is within the reach of those skilled in the art based on the functional indications given above. In particular, the person skilled in the art is capable of adapting the method described in relation to Figures 6 to 10 to produce the pixel 200 of Figures 4 and 5 from the indications above.
Claims (11)
– au moins une première zone photosensible (103) formée dans le substrat semiconducteur (101) et adaptée à capter de la lumière dans une première gamme de longueurs d'ondes ;
– une deuxième zone photosensible (105) formée dans le substrat semiconducteur (101) à l'aplomb de ladite au moins une première zone photosensible (103) et adaptée à capter de la lumière dans une deuxième gamme de longueurs d'ondes, différente de la première gamme de longueurs d'ondes ;
– au moins une zone de collecte de charges (113) disposée du côté (101T) du substrat (101) opposé à ladite au moins une première zone photosensible (103) ;
– au moins une région de transfert s'étendant depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) jusqu'à ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et
– au moins une grille de transfert (TG) s'étendant verticalement entre ladite au moins une région de transfert et la deuxième zone photosensible et bordant latéralement ladite au moins une région de transfert.Image sensor comprising a plurality of pixels (100; 200) formed in and on a semiconductor substrate (101), each pixel comprising:
– at least a first photosensitive zone (103) formed in the semiconductor substrate (101) and adapted to capture light in a first wavelength range;
– a second photosensitive zone (105) formed in the semiconductor substrate (101) directly above said at least one first photosensitive zone (103) and adapted to capture light in a second range of wavelengths, different from the first wavelength range;
– at least one charge collection zone (113) arranged on the side (101T) of the substrate (101) opposite said at least one first photosensitive zone (103);
– at least one transfer region extending from said at least one first photosensitive zone (103) to said at least one charge collection zone (113); And
– at least one transfer grid (TG) extending vertically between said at least one transfer region and the second photosensitive zone and laterally bordering said at least one transfer region.
– un premier potentiel adapté à bloquer un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) vers ladite au moins une zone de collecte de charges (113) ; et
– un deuxième potentiel, différent du premier potentiel, adapté à permettre un transfert de charges depuis ladite au moins une première zone photosensible (103) vers ladite au moins une zone de collecte de charges (113).Sensor according to any one of claims 1 to 9, further comprising a control circuit configured to apply alternately, to said at least one transfer grid (TG):
– a first potential adapted to block a transfer of charges from said at least one first photosensitive zone (103) to said at least one charge collection zone (113); And
– a second potential, different from the first potential, adapted to allow a transfer of charges from said at least one first photosensitive zone (103) to said at least one charge collection zone (113).
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